-
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit einem in die Brennstoffzelle integrierten Kühlwärmetauscher nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Kühlvorrichtungen für Brennstoffzellen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen sind typischerweise Kühlwärmetauscher in die Brennstoffzelle integriert. Häufig ist diese als Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie ausgeführt. Die Einzelzellen weisen dann entsprechende Bereiche zur Durchströmung mit Kühlmedium auf, sodass in der Brennstoffzelle entstehende Abwärme in die Umgebung abgeführt werden kann.
-
Im Allgemeinen wird dazu ein flüssiges Kühlmedium durch die Brennstoffzelle gefördert, welches in einem anderen Bereich eines Kühlkreislaufs über einen Umgebungskühler abgekühlt wird. Bei der bevorzugten Ausführung der Kühlvorrichtung in einem Fahrzeug wird der Umgebungskühler dabei von Fahrtwind, gegebenenfalls mit Unterstützung durch ein Gebläse, durchströmt. Der Aufbau hat dabei den Nachteil, dass zur Bereitstellung der für den Volllastbetrieb der Brennstoffzelle in einem Fahrzeug benötigten Kühlleistung eine vergleichsweise große Fläche des Kühlers benötigt wird, was aus Gründen der Designvorgaben in Fahrzeugen häufig nicht oder nur eingeschränkt zu realisieren ist. Ein weiterer Nachteil einer derartigen allgemein bekannten Kühlvorrichtung, welche ein flüssiges Kühlmedium, beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und einem Forstschutzmittel, verwendet, liegt darin, dass das Kühlmedium häufig eine entsprechend hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Da es in der Brennstoffzelle mit elektrisch aufgeladenen Teilen in Berührung kommt, muss immer sichergestellt werden, dass durch das Kühlmedium keine oder allenfalls eine sehr geringe elektrische Leitung auftritt, um so einen ausreichend hohen elektrischen Isolationswiderstand zwischen der Brennstoffzelle und den mit der Masse des Fahrzeugs in Berührung stehenden Teilen der Kühlvorrichtung zu realisieren. Dies erfordert aufwändige Maßnahmen, wie beispielsweise lange Leitungslängen eines Kühlkreislaufs und/oder einen Ionentauscher, um die Leitfähigkeit des Kühlmediums kontinuierlich herabzusetzen. All dies ist aufwändig und teuer.
-
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der
DE 10 2004 063 304 A1 ist es nun außerdem bekannt, dass eine Wärmekraftmaschine mit einem verdampfbaren Arbeitsmittel in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird. Diese dient in erster Linie zur Rückgewinnung von Wärme. Dabei wird über die Verdampfung des Arbeitsmittels das flüssige Kühlmedium, welches auch hier analog zum oben beschriebenen Stand der Technik durch die Brennstoffzelle strömt, abgekühlt. Die auf das Arbeitsmittel übertragene Restwärme wird dann, gegebenenfalls unter Ausnutzung weiterer Wärmequellen, wie einem Ladeluftkühler oder ähnlichem, genutzt, um in einem Dampfkreislauf Energie aus der Abwärme der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems zurückzugewinnen.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Kühlvorrichtung für eine Brennstoffzelle anzugeben, welche gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik verbessert ist, und welche insbesondere die dort genannten Nachteile vermeidet.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung finden sich in den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Die Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung sieht es vor, dass ein Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf mit Verdampfer und Kondensator strömt. Dabei verdampft das Kühlmittel in dem Kühlwärmetauscher der Brennstoffzelle. Dieser ist also unmittelbar als Verdampfer eines Kühlmittelkreislaufs vorgesehen. Als Kühlmittel kann dabei ein Kühlmittel eingesetzt werden, welches bei der typischerweise auftretenden Betriebstemperatur der Brennstoffzelle sicher und zuverlässig verdampft, z. B. Methanol. Durch die Verdampfungskühlung in dem Kühlwärmetauscher der Brennstoffzelle wird eine sehr effiziente Kühlung der Brennstoffzelle erzielt, da durch die Verdampfungskühlung sehr viel Wärme aus dem Kühlwärmetauscher der Brennstoffzelle sehr effizient aufgenommen und abgeführt werden kann. Die einsetzbaren Kühlmittel haben dabei typischerweise – zumindest im gasförmigen Zustand – eine sehr viel geringere Leitfähigkeit, als dies Gemische aus Wasser und Frostschutzmittel, zumindest nach einer gewissen Betriebsdauer eines Kühlkreislaufs, haben. Die Gemische aus Wasser und Frostschutzmittel neigen nämlich dazu, über die Betriebsdauer Ionen aus den Leitungen des Kühlkreislaufs herauszulösen. Außerdem ist es so, dass vor allem der Bereich in Strömungsrichtung des Kühlmediums aus Wasser und Frostschutzmittel nach der Brennstoffzelle bis zur ersten auf Masse liegenden Komponente kritisch ist. Das Kühlmittel der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist genau in diesem Bereich überwiegend dampfförmig, sodass alleine schon hierdurch, unabhängig von der spezifischen Leitfähigkeit des Kühlmittels selbst, ein deutlicher Vorteil zu erzielen ist. Daher sind keine weiteren Maßnahmen zur Aufrechterhaltung eines ausreichend hohen Isolationswiderstandes in der Kühlvorrichtung notwendig. Darüber hinaus hat das Kühlmittel typischerweise unterhalb des Siedepunktes eine sehr viel geringere Wärmekapazität als dies Wasser hätte. Es ist daher auch für den Kaltstartfall der Brennstoffzelle ideal geeignet, da es ein sehr schnelles Aufheizen der Brennstoffzelle im Kaltstartfall, mit einem anschließenden sehr guten Kühlen der Brennstoffzelle im regulären Betriebsfall ermöglicht.
-
Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt darin, dass prinzipbedingt über ein derartiges bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle in dem Kühlwärmetauscher verdampfendes Kühlmittel ein Schutz vor lokalen Überhitzungen vorhanden ist. Wird die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels punktuell überschritten, dann wird durch nachfließendes Kühlmittel genau diese Stelle mit der lokalen Überhitzung verstärkt gekühlt. Dadurch ist es möglich, eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung in der Brennstoffzelle zu realisieren. Außerdem wäre es grundsätzlich denkbar, im Kaltstartfall auf eine Förderung des Kühlmittels gänzlich zu verzichten, sodass durch das Verdampfen des Kühlmittels bei Überschreitung der Verdampfungstemperatur und ein punktuelles Nachströmen eine Kühlung ohne Förderung des Kühlmediums erfolgt. Dies stellt einerseits eine ausreichende Kühlung der Brennstoffzelle im Kaltstartfall sicher und erlaubt andererseits eine sehr schnelle Erwärmung derselben.
-
Durch das Verdampfen des Kühlmittels im Kühlwärmetauscher der Brennstoffzelle sind sehr hohe Wärmestromdichten realisierbar. Dies führt letztlich dazu, dass entsprechend geringere Massenströme des Kühlmittels erforderlich sind, als bei einem herkömmlichen Wasser-Frostschutz-Gemisch notwendig wären. Hierdurch lässt sich die Leistung der Fördereinrichtungen für das Kühlmittel gegenüber herkömmlichen Aufbauten reduzieren, sodass durch die Reduktion der parasitären Leistung des Brennstoffzellensystems der Systemwirkungsgrad verbessert werden kann.
-
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sieht es nun ferner vor, dass in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Kühlwärmetauscher eine Expansionsmaschine zur Entspannung des dampfförmigen Kühlmittels vorgesehen ist. Diese Expansionsmaschine, welche vorzugsweise als Strömungsturbine ausgebildet sein kann, kann genutzt werden, um mechanische Energie aus dem dampfförmigen Kühlmittel zurückzugewinnen.
-
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung nach der Expansionsmaschine ein Wärmetauscher zum Erwärmen des expandierten dampfförmigen Kühlmittels vorgesehen ist. Über einen solchen Wärmetauscher kann eine Zwischenerhitzung des Kühlmittels erfolgen. Insbesondere wenn diese über das Kühlmittel selbst in einem anderen Bereich der Kreislaufführung des Kühlmittel erfolgt, kann so ein sehr effizienter Aufbau erreicht werden, da das Kühlmittel dann an anderer Stelle gleichzeitig weiter abgekühlt wird.
-
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung dieser Idee sieht es dann außerdem vor, dass in Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher ein Verdichter für das dampfförmige Kühlmittel angeordnet ist. Ein solcher Verdichter für das dampfförmige Kühlmittel sorgt für eine erneute Verdichtung des Kühlmittels und eine entsprechende Steigerung der Temperatur des Kühlmittels. Vor allem in Kombination mit dem angesprochenen Wärmetauscher führt dies zu einer entsprechend hohen Temperatur des Kühlmittels in diesem Bereich der Kühlvorrichtung. Folgt daraufhin der Kondensator, in welchem das Kühlmittel, beispielsweise analog zum Kühler des herkömmlichen bekannten Kühlkreislaufs, abgekühlt wird, dann liegt in dem Kühlmittel beim Eintritt in den Kondensator eine sehr hohe Temperatur vor, sodass zwischen dem in den Kondensator eintretenden Kühlmittel und dem den Kondensator abkühlenden Medium, typischerweise Umgebungsluft, eine hohe Temperaturdifferenz erzielt werden kann. Da diese Temperaturdifferenz maßgebend für die Abkühlung des Kühlmittels in dem Kondensator ist, ist durch die Erhöhung der Temperatur über den Verdichter, vorzugsweise in Kombination mit dem Wärmetauscher in Strömungsrichtung vor dem Verdichter, eine sehr effiziente Kühlung realisiert. Diese kann, bei entsprechend kleiner Kühlfläche, was hinsichtlich des Designs insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen, ein entscheidender Vorteil ist, eine sehr gute Abkühlung des Kühlmittels und damit letztlich eine sehr hohe Kühlleistung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung in dieser Ausführungsvariante ermöglichen.
-
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es dabei vor, dass der Verdichter, welcher vorzugsweise als Strömungsverdichter ausgebildet ist, und die Expansionsmaschine, welche vorzugsweise als Strömungsturbine ausgebildet ist, in mechanischer Wirkverbindung stehen, insbesondere als freilaufender Turbolader ausgebildet sind. Die zum Verdichten benötigte Leistung wird dabei durch die Expansion zur Verfügung gestellt, sodass dieser Schritt innerhalb der Kühlvorrichtung ohne externe Leistung auskommt und entsprechend einfach in seinem Aufbau realisiert werden kann.
-
Ein weiterer Vorteil bei der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung lässt sich erzielen, wenn in Strömungsrichtung zwischen dem Kühlwärmetauscher und der Expansionsmaschine ein Druckhalteventil vorhanden ist. Durch ein einfaches Einstellen des Systemdrucks bzw. Siededrucks kann so die Temperatur der Brennstoffzelle auf die gewünschte Betriebstemperatur eingestellt werden. Die Kühlung ist damit entsprechend einfach und hinsichtlich der Steuerung bzw. Regelung sehr effizient zu realisieren.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ergeben sich ferner aus den abhängigen Unteransprüchen und werden anhand eines Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
-
Dabei zeigen:
-
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Kühlkreislauf gemäß dem Stand der Technik;
-
2 eine Kühlvorrichtung in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
-
3 eine Darstellung des Kreisprozesses bei der Kühlvorrichtung gemäß 2 in einem T-s-Diagramm; und
-
4 ein Diagramm des Wärmedurchgangskoeffizienten in Abhängigkeit des inneren Wärmedurchgangskoeffizienten.
-
In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, welches über ein Brennstoffzellensystem 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt sein soll. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, beispielsweise ein Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie. Innerhalb der Brennstoffzelle 3 ist dabei rein beispielhaft ein Kathodenbereich 4, ein Anodenbereich 5 sowie ein Kühlwärmetauscher 6 dargestellt. Die von der Brennstoffzelle 3 erzeugte elektrische Leistung gelangt über elektrische Leitungen zu einer Elektronik 7, beispielsweise einer Leistungselektronik, und von dort zu entsprechenden Verbrauchern und/oder Energiespeichern, in einem Fahrzeug ist dies typischerweise zumindest der Antriebsmotor sowie eine Traktionsbatterie. All dies ist zusammen durch eine Box mit dem Bezugszeichen 9 beispielhaft dargestellt.
-
Die Brennstoffzelle 3 bzw. ihr Kathodenraum 4 wird über eine Luftfördereinrichtung 10 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Nicht umgesetzte Abluft, insbesondere also der Stickstoffanteil in der geförderten Luft, gelangt über eine Abluftturbine 11 wieder aus der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Kathodenbereich 4. In der Abluftturbine 11 wird ein Teil der Druckenergie und der thermischen Energie in der Abluft zurückgewonnen. Die Abluftturbine 11 ist zusammen mit der Luftfördereinrichtung 10 sowie einer elektrischen Maschine 12 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Dieser Aufbau ist so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet.
-
Dem Anodenbereich 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff in dem hier dargestellten Beispiel aus einem Druckgasspeicher 13 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 14 zugeführt. Nicht verbrauchter Restwasserstoff gelangt aus dem System. Er könnte genauso gut im Kreislauf zurückgeführt oder zur Verdünnung in die Abluft eingeleitet werden. Als dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und dem Fachmann ohnehin geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
-
Das Fahrzeug 1 mit dem Brennstoffzellensystem 2 weist außerdem einen Kühlkreislauf 15 auf, in welchem ein flüssiges Kühlmedium über eine Kühlmedienfördereinrichtung 16 umgepumpt wird, wie es zur Kühlung von Brennstoffzellen 3 allgemein bekannt und üblich ist. Der Kühlkreislauf 15 umfasst neben der Kühlmedienfördereinrichtung 16 außerdem einen Kühler 17, über welchen das Kühlmedium durch Fahrtwind abgekühlt wird. Zur Beeinflussung der Temperatur und, um im Kaltstartfall das Kühlmedium nicht durch den Kühler 17 leiten zu müssen, ist ein schaltbarer Bypass 18 vorgesehen. All dies ist dem Fachmann geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
-
Anstelle des Kühlkreislaufs 15 in der Darstellung der 1 tritt nun bei dem Fahrzeug 1 eine in 2 näher dargestellte mit 20 bezeichnete Kühlvorrichtung, welche eine sehr effizientere Abkühlung der Brennstoffzelle 3 ermöglicht, als es über das flüssige Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 15 beim Aufbau gemäß dem Stand der Technik möglich ist.
-
Anstelle eines Wasser-Frostschutz-Gemischs als Kühlmedium, so wie im Kühlkreislauf 15 der 1, wird bei der Kühlvorrichtung 20 ein Kühlmittel eingesetzt, welches typischerweise als organisches oder anorganisches Arbeitsmittel konzipiert ist, und welches bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 und dem in der Kühlvorrichtung 20 herrschenden Druck verdampft. In der Darstellung der 2 ist ein Ausgleichsbehälter 21 zu erkennen, welcher gleichzeitig den Vorratsbehälter für das flüssige Kühlmittel bildet. Über eine Förderpumpe 22 wird das flüssige Kühlmittel aus dem Ausgleichsbehälter 21 als Vorratstank in den Kühlwärmetauscher 6 in der Brennstoffzelle 3 gefördert. In dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 kommt es zu einem Verdampfen des zuvor flüssigen Kühlmittels, welches seine Siedetemperatur im Bereich der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 hat. Das dann verdampfte Kühlmittel gelangt zurück in den Ausgleichsbehälter 21, welcher zusätzlich die Aufgabe eines Flüssigkeitsabscheiders übernimmt. Von dort strömt das verdampfte Kühlmittel über ein Druckregelventil 23 zum Einstellen des Siededrucks zu einer Expansionsmaschine 24, in diesem Fall einer Turbine. Nach der Turbine 24 ist das immer noch dampfförmige Kühlmittel entspannt. Es strömt dann durch einen Wärmetauscher 25, welcher einerseits von dem Kühlmittel nach der Turbine 24 und andererseits von dem Kühlmittel nach einem Kondensator bzw. Kühler 26 durchströmt wird. Hierdurch wird das auskondensierte wieder flüssige Kühlmittel nach dem Kondensator 26 noch weiter heruntergekühlt, während in dem Wärmetauscher 25 gleichzeitig das nach der Expansion in der Turbine 24 abgekühlte Kühlmittel, welches hier immer noch dampfförmig ist, weiter erwärmt wird. In Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher folgt für das dampfförmige Kühlmittel ein Verdichter 27, vorzugsweise in Form eines Strömungsverdichters. Der Verdichter 27 verdichtet das gasförmige, in dem Wärmetauscher 25 erwärmte Kühlmittel, und erhitzt es damit noch weiter. Das dampfförmige Kühlmittel hat damit eine vergleichsweise hohe Temperatur, wenn es in Strömungsrichtung nach dem Verdichter 27 in den Kondensator 26 strömt. Der typischerweise von der Umgebungsluft analog zum Kühler in 1 gekühlte Kondensator 26 ist nun außerordentlich effizient in der Abkühlung und kann auf kleiner Fläche eine hohe Kühlleistung übertragen. Dies liegt daran, dass die Temperatur des gasförmigen Kühlmittels beim Eintritt in den Kondensator 26 entsprechend hoch ist. Da die treibende Kraft zur Übertragung der Kühlleistung die Temperaturdifferenz zwischen dem in den Kondensator 26 eintretenden Kühlmittel einerseits und der Umgebungsluft andererseits ist, lässt sich durch den beschriebenen Aufbau eine sehr hohe Temperaturdifferenz und damit eine sehr effiziente Abkühlung des Kühlmittels im Kondensator 26 erreichen. Wie bereits erwähnt strömt das in dem Kondensator 26 verflüssigte Kühlmittel dann durch den Wärmetauscher 25, wo es noch weiter abgekühlt wird. Über eine Speisepumpe 28 wird das flüssige Kühlmittel dann über ein Rückschlagventil 29 zurück in den Ausgleichsbehälter 21 gefördert und kann über die Förderpumpe 22 wieder zur Kühlung des Kühlwärmetauscher 6 in der Brennstoffzelle 3 genutzt werden.
-
Als Kühlmittel für die Verdampfungskühlung kann dabei ein Kühlmittel eingesetzt werden, welches bei der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 verdampft, sodass in dem Kühlwärmetauscher 6 eine Kühlung durch Strömungssieden des Kühlmittels stattfindet. Als Kühlmittel wäre beispielsweise Methanol denkbar.
-
Durch das Druckregelventil 23 kann die Temperatur in dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3, und damit letztlich also die Temperatur der Brennstoffzelle 3 selbst, durch eine einfache Druckregelung eingestellt werden. Das Druckregelventil 23 kann dabei vorzugsweise als einfaches und zuverlässig arbeitendes selbstregelndes Überdruckventil ausgebildet sein. Über den Volumenstrom, welcher durch die Förderpumpe 22 gefördert wird, lässt sich dann die Temperaturdifferenz zwischen dem in die Brennstoffzelle 3 bzw. den Kühlwärmetauscher 6 einströmenden und aus diesem abströmenden Kühlmittel einstellen.
-
Der Ausgleichsbehälter 21 dient nicht nur als Ausgleichs- und Vorratsbehälter für das flüssige Kühlmedium, sondern auch um die Volumenänderung beim Sieden auszugleichen, und flüssiges Kühlmittel abzuscheiden, sodass lediglich dampfförmiges Kühlmittel zur Turbine 24 gelangt. Hierdurch ist ein sicherer und zuverlässiger Betrieb der Turbine 24, ohne die Gefahr einer Schädigung derselben, möglich.
-
Der beim Verdampfen und Kondensieren des Kühlmittels in der oben beschriebenen Kühlvorrichtung 20 stattfindende Kreisprozess lässt sich dabei anhand des Temperatur-Entropie (T-s) Diagramms in der Darstellung der 3 näher erläutern. Nach dem Austritt des Kühlmittels aus dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 und der Separation der flüssigen Phase in dem Ausgleichsbehälter 21 entspannt sich der auf dem Temperaturniveau T1 befindliche Kühlmitteldampf, sodass es zu einem Übergang von dem Punkt I zu dem Punkt II im Diagramm kommt. Diese Punkte sind zur Verdeutlichung auch in 2 eingetragen. In dem Wärmetauscher 25 wird dann mit dem Rücklauf des Kondensators 26 als Wärmequelle eine Zwischenüberhitzung des gasförmigen bzw. dampfförmigen Kühlmittels vorgenommen. Der Zustand ändert sich entsprechend von II nach III im Diagramm der 3. Anschließend erfolgt eine Kompression bzw. ein Verdichten in dem Verdichter 27, welcher von der Turbine 24 angetrieben wird. Durch dieses Verdichten erfolgt eine Temperaturerhöhung auf die Temperatur T4 vom Punkt III zum Punkt IV im Diagramm. Bei der Kondensation des dampfförmigen Kühlmittels im Kondensator 26 gelangt man dann vom Zustand IV zu dem mit V bezeichneten Zustand. Anschließend erfolgt noch eine Unterkühlung des jetzt verflüssigten Kühlmittels in dem Wärmetauscher 25, sodass sich der Zustand von dem Punkt V zum Punkt VI ändert. Anschließend erfolgt die Rückführung des kondensierten flüssigen Kühlmittels über die Speisepumpe 28 in den Verdampfungskreislauf des Kühlwärmetauschers 6 der Brennstoffzelle 3 und somit ein Zustandsänderung vom Punkt VI zum Punkt VII. Bei der Verdampfungskühlung des Kühlwärmetauschers 6 über Strömungssieden ändert sich der Zustand dann wieder vom Punkt VII zum Punkt I und der Kreislaufprozess beginnt von neuem.
-
In der Darstellung der 3 ist dabei sehr deutlich zu erkennen, dass durch die Verdichtung bzw. Zwischenkompression eine Temperaturerhöhung um ΔT von T1 nach T4 erreicht wird. Die Temperatur beim Eintritt in den Kondensator 26 ist also die Temperatur T4 und damit entsprechend höher als die Temperatur T1 bei einer reinen Verdampfungskühlung ohne den zwischengeschalteten Verdichter, oder analog hierzu bei einer Flüssigkeitskühlung. Hierdurch wird eine verbesserte Abkühlung in dem Kondensator 26 erreicht, sodass dieser bei gleicher Kühlleistung entsprechend kleiner ausgestaltet oder bei gleicher Größe eine sehr viel höhere Kühlleistung bereitstellen kann.
-
Ein weiterer Vorteil, welcher auch ohne die Zwischenkompression erzielt werden könnte, welcher also auch bei einer reinen Verdampfungskühlung möglich ist, liegt darin, dass der Wärmedurchgangskoeffizient κ bei einer Verdampfungskühlung, sich insbesondere beim Strömungssieden entsprechend erhöht. In der Darstellung der Figur ist in einem Diagramm der Wärmedurchgangskoeffizient k in [W/m2·K] in Abhängigkeit des sogenannten inneren Wärmeübergangskoeffizienten αi in [W/m2·K] dargestellt. Der vordere Bereich zeigt die Flüssigkeitskühlung beispielsweise mit Kühlwasser, wobei der mit A bezeichnete Punkt ruhendes Kühlwasser bezeichnet, während der mit B bezeichnete Punkt eine turbulente Kühlwasserströmung beschreibt. Die Wasserkühlung befindet sich also bei ihrem möglichen Wärmeübergangskoeffizienten zwischen diesen beiden inneren Wärmeübergangskoeffizienten αi, bei A und B, sodass ein Wärmedurchgangskoeffizient κ erzielt werden kann, welcher der entsprechend durchgezogenen Linie im Bereich zwischen den Punkten A und B entspricht. Er liegt demnach in etwa zwischen 150 und 900 W/m2·K.
-
Mit C ist der innere Wärmeübergangskoeffizient α1 für Behältersieden bei freier Konvektion dargestellt, mit dem Punkt D strömt das Strömungssieden in einem senkrecht verlaufenden Rohr. Wiederum zeigt die Kurve den Wärmedurchgangskoeffizienten κ an. Die Werte liegen für die Verdampfungskühlung in jedem Fall oberhalb von 960 W/m2·K und damit in jedem Fall höher als bei einer Kühlung mit Kühlwasser. Alleine hierdurch wird schon der Wärmeübergang verbessert, sodass bereits eine geringere Wandtemperatur der Wandung in dem Kühlwärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 ausreicht, um einen guten Wärmeübergang von der Brennstoffzelle 3 auf das Kühlmittel zu erzielen. Hierdurch lassen sich niedrigere und gleichmäßigere Bauteiltemperaturen bzw. eine höhere Kühlleistung realisieren, sodass zusätzlich zu den durch die Verdichtung in der Kühlvorrichtung 20 gemäß 2 zu erzielenden Vorteilen auch durch den alleinigen Einsatz der Verdampfungskühlung im Vergleich zur Flüssigkeitskühlung bereits ein entsprechender Vorteil hinsichtlich der Bauteiltemperatur bzw. der zu erzielenden Kühlleistung möglich ist.
-
Alles in allem erlaubt die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 20 damit, insbesondere in der bevorzugten Ausführungsvariante, welche in der Darstellung der 2 näher erläutert ist, eine sehr effiziente Kühlung mit hoher Kühlleistung bei entsprechend geringem Aufwand hinsichtlich des Bauraums und hinsichtlich des eingesetzten Kühlmittels. Zusätzlich ist durch die geeignete Wahl eines Kühlmittels ein sehr hoher elektrischer Isolationswiderstand durch das Kühlmittel ohne zusätzliche Maßnahmen zu realisieren. Zusammen mit dem Vorteil einer geringen Menge an Kühlmittel und damit einer sehr guten Kaltstartfähigkeit des Brennstoffzellensystems 2 prädestiniert dies die Kühlvorrichtung 20 für den Einsatz in dem Fahrzeug 1. Ungeachtet dessen kann diese selbstverständlich auch in stationären Systemen Verwendung finden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004063304 A1 [0004]